（化学工程专业论文）微藻培养的反应工程学研究.pdf

摘要 在全球都在推行低碳经济的今天，研究可再生、二氧化碳排放量少的新能 源对于环境保护以及经济可持续发展有着重要意义。以植物油为原料进行生物柴 油生产的工艺存在占耕地面积大的问题，使得生物柴油的大规模工业化生产难以 持续进行。而以微藻为原料生产生物柴油的工艺能够解决这个问题，而且微藻产 油效率高于油植物。本课题以反应工程学理论为基础，建立新的微藻培养器，并 对微藻工厂化培养进行了探究，主要进行了以下工作： 1 获得含油量高的金藻，以人工海水为培养液，l e d 灯为光源，在5 l 玻璃间 歇釜中考察了不同温度，光源强度和光暗频率以及通c 0 2 对金藻生长速率的影 响。结果表明：培养时通c 0 2 ，不仅能提高培养液中反应物c 0 2 的浓度，也能减 少产物0 2 浓度，有利于微藻的生长；金藻生长最适温度为2 5 ；最适光强为 1 8 0 0 0 1 u x ；大于1 0 h z 的频闪光源能明显减弱光抑制作用，促进微藻生长，最适频 率为2 0 h z ，生长速率比相同光强下连续光高1 8 6 。得到了适合金藻的生长条件。 2 气相色谱法测定了金藻生物柴油主要含棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸 甲酯、亚油酸甲酯、亚麻酸甲酯，含量分别为3 9 9 、2 3 8 、2 8 9 、1 8 2 5 、 4 4 6 。碳链长度在1 6 1 8 ，能够作为生产生物柴油的原料。 3 设计并建立了一套内径为5 c m 内置光源管式振荡流反应器，用以金藻的 培养。该反应装置由振动部分产生不同频率和振幅的正弦振动，并将振动传递到 流动部分腔室中的流体。在r e o = 8 1 8 ，s t = - 3 9 8 振荡优化条件下的培养结果表明： 浓度很小时( o d 0 7 ) ，由于营养物质相对浓度变小以及有害的代谢产物量多，细胞生长受 到限制，不仅增长比小，而且增长的绝对量也小。而金藻浓度在0 。2 和0 7 之间时， 其增长量最大。因此在用该新型反应器培养金藻时，浓度控制在0 2 0 7 内收益率 最高。 4 在相同停留时间和初始浓度下，对金藻在光催化管式振荡流反应器与球 形间歇釜中培养结果进行比较。结果为：( 1 ) 浓度较低时，金藻在前者与后者中 的增长量之比随着浓度的增大而增大，从低浓度时的1 4 倍随着初始浓度的增加 到最高的1 7 8 倍。此时光源利用率为影响金藻生长的主要因素，而前者的光源利 用率明显好于后者，并且随着浓度的增大而增大；( 2 ) 当浓度比较高( o d 值 o 6 ) i i 时，增长量之比有所减少，从最高的1 7 8 倍下降到1 5 倍，此时金藻生长的主要限 制因素为其高浓度带来的生长环境恶化，光利用率为次要因素。 以上结果表明：管式振荡流光催化反应器流体的流动特性使其培养微藻的效 果明显要好于搅拌间歇釜反应器。而该新型反应器工业放大只需串联上管子，相 对简易，不影响培养效率，又能连续化生产。搅拌间歇釜放大之后的光利用率将 会更低，降低培养速度，而且只能间歇生产。因此当进行大规模培养微藻时，新 型光催化管式振荡流反应器将比搅拌间歇釜更有优势。 关键词：生物柴油；微藻；振荡流；光催化 i i i a b s t r a c t t o d a y ，t h ew h o l ew o r l da r ei nt h ep u r s u i to fl o w - c a r b o ne c o n o m y ，i ti su r g e n tt o d e v e l o pan e wr e n e w a b l e 、e c o n o m i ce n e r g y f o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d s u s t a i n a b l ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t h o w e v e r ，t h e r es t i l le x i s ts o m eb o t t l e n e c k sf o rt h e p r o d u c t i o no fb i o d i e s e l s u c ha sl a r g ea r e ao c c u p i e dw h e nu s i n gv e g e t a b l eo i la sr a w m a t e r i a l ，w h i c hm a k i n gl a r g e - s c a l ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fb i o - d i e s e lh a r d t o c o n t i n u e i nt h i sb a c k g r o u n d s c i e n t i s t sc a m eu pw i t l lan e wi d e at or e s o l v es i m i l a r p r o b l e mw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d ：t h em i c r o a l g a eb i o - d i e s e l t h i sp a p e rw i l ld e s i g na n e w m i c r o a l g a e b a s e di n c u b a t o ro nt h eb a s i so ft h et h e o r yf o rr e a c t i o ne n g i n e e r i n g ， w eh a st a k e ns o m ee n d e a v o ra sb e l o w ： 1 t h ec h r y s o p h y t aw i t hh i g ho i lc o n t e n th a sb e e no b t a i n e d i ti sc u l t u r e di n5 l i t e rp l a s t i cb a t c hr e a c t o r ，w i t ha r t i f i c i a ls e aw a t e ra sn u t r i e n ts o l u t i o na n dl e d - l i g h t a sl i g h ts o u r c e d i f f e r e n tf a c t o r sh a v eb e e ns t u d i e d ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，i n t e n s i t yo f l i g h ts o u r c e ，l i g h ts t r e n g t hf r e q u e n c ya n dt h ef l o wo fc 0 2 e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a t ：t h ef l o wo fc 0 2c a nn o to n l yi m p r o v et h ec o n c e n t r a t i o no fc 0 2a sr e a c t a n t ，b u t a l s od e c r e a s et h ec o n c e n t r a t i o no f0 2 ，w h i c hw i l lh e l pt h eg r o w t ho ft h ea l g a e t h e o p t i o n a lc u l t u r a lt e m p e r a t u r ei s2 5 ，t h eo p t i m a li n t e n s i t yo fl i g h ti s 18 0 0 0 1 u x t h e s t r o b ef r e q u e n c ym o r et h a nlo h zi sc a p a b l eo fr e d u c i n gp h o t o i n h i b i t i o ne f f e c t ，a n dt h e g r o w t h r a t ew o u l dq u i c k e n e d18 6 m o r et h a nt h ec o n d i t i o no fc o n t i n u o u s i l l u m i n a t i o nw i mi d e n t i c a ll i g h ts t r e n g t h 2 g a sc h r o m a t o g r a p h yh a sb e e ni n t r o d u c e dt od e t e r m i n et h ec o m p o s i t i o no ft h e b i o d i e s e lp r o d u c e db yg o l d e na l g a e 。t h ec a r b o nc h a i nl e n g t hi sm a i n l yb e t w e e n16t o 18 ，w i t ht h ee l e m e n to fm e t h y lp a l m i t a t e ( 3 9 9 ) ，m e t h y ls t e a r a t e ( 2 38 ) ，m e t h y l o l e a t e ( 2 8 9 ) ，m e t h y ll i n o l e a t e ( 18 2 5 ) a n dm e t h y ll i n o l e n a t e ( 4 4 6 ) t h e s e d a t ai n d i c a t et h ep o t e n t i a lt ou s eg o l d e na l g a ea sb i o d i e s e ls o u r c e 3 as e to fp h o t o c a t a l y s i so f rh a sb e e nd e s i g n e da n de s t a b l i s h e dt oa l g a e c u l t u r i n g t h er e a c t i o nd e v i c ep r o d u c e db yt h ev i b r a t i n gp a r t o ft h ed i f f e r e n t f r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo ft h es i n u s o i d a lv i b r a t i o nt r a n s m i s s i o nt ot h em o b i l ep a r to f t h ec h a m b e ri nt h ef l u i d u n d e rr e o = 818 ，s t = 3 9 8o p t i m i z e dc o n d i t i o n so f i v o s c i l l a t i o n ，c u l t u r er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ec o n c e n t r a t i o ni sv e r yl o w ( o d o 7 ) ，a st h er e l a t i v ec o n c e n t r a t i o no fn u t r i e n t sa sw e l la st h eb i g g e r q u a n t i t yo fh a r m f u lm e t a b o l i t e s ，c e l lg r o w t hi sl i m i t e d ，b o t hg r o w t ht h a na n d g r o w i n gv o l u m e a r es m a l l t h e g o l d e na l g a eg e t t h el a r g e s t g r o w t hw h e n c o n c e n t r a t i o ni sb e t w e e n0 2a n d0 7 t h e r e f o r e ，i nu s i n gt h i sn e wr e a c t o rt r a i ng o l d e n a l g a e ，t h ec o n c e n t r a t i o na t0 2t o0 7i si nt h eh i g h e s tr a t eo fr e t u r n t h e s e a b o v er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tu s i n go f r ，t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c si s e v i d e n t l yb e t t e rt h a nb a t c hr e a c t o rw i ms t i r r e dt a n k t h ei n d u s t r i a ls c a l e u po f t h en e w r e a c t o rc a nb ea p p l i e di nc o n t i n u o u sp r o d u c t i o n ，a n dh a sn oi m p a c to nc u l t u r i n g m o r e o v e r , i ti sr e l a t i v e l ys i m p l et os c a l e - u p ，f o ri ti so n l yd e m a n d sc o m b i n i n gs o m e t u b e s w h i l et h eb a t c hr e a c t o rc a l lo n l ya p p l i e di nb a t c hp r o c e s s ，w i t hl o w e rl i g h tu s e r a t i oa n dg r o w t hv e l o c i t y i tc a m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h en e ws e ti sm u c hm o r e a p p r o p r i a t ef o rt h el a r g e - s c a l ea l g a ec u l t u r i n g k e yw o r d s ：b i o d i e s e l ；m i c r o a l g a e ；o f r ；p h o t o c a t a l y s i s v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：旅鸯签字日期：乃户 年夕月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：数丢皇 签字日期：如扫年3 月铲 e l 导师签名： 签字日期： 致谢 本文在胡晓萍副教授的悉心指导下完成。我在胡老师的言传身教下收获 颇多，她的严谨治学和求实专研精神使我学会了正确的学习态度和生活态 度；她的渊博知识和科研经验指导了我的科研方向和内容；胡老师学业上的 循循善诱，课外实习活动的支持，生活点滴的热心关照，使我能顺利的完成 研究生毕业论文。在此，谨向尊敬的胡老师表示最衷心的感谢。 在本课题的研究过程中，各位师兄师姐对作者的研究工作提供了很大的 帮助，使我在课题设计、开展、研究中少走了很多弯路，研究工作得以顺利 地进行，在此表示特别地感谢。在具体实验研究中，还得到同届同学李伟、 袁刚、陈永纯、钟绍兴等人的热心帮助和鼓励，在此表示真诚的谢意。课题 组的张雷、林龙永、田晓辉、王向峰师弟以及其他师兄弟们在学业和生活 上也给了我很大的帮助，同他们的讨论总是能帮助我获得很多新的想法，解 决一些问题，跟大家一起度过的日子更是今后的美好回忆。 最后我要将我最诚挚的谢意献给我的家人，感谢他们一直以来在我生活 上和精神上所给予的关心、支持和鼓励，使我能够专心完成我的论文。 张杰 二零一零年一月于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 由于石油储量的持续消耗，人类对能源的需求不断增长，而石化燃料引 起的环境污染等问题也日益严重，开发对环境无害的、非石油类的可再生新 兴能源是未来能源发展的主题思路。自2 0 世纪8 0 年代出现石油危机以来， 人们开始研究煤的气化和液化，然而复杂的技术和巨大的投资制约了气化煤 和液化煤的使用。由于种种原因，核能也尚未实现大规模应用；生物质能、 太阳能和其他可再生能源将最有可能成为石油和煤炭的补充能源，登上世界 能源的舞台。其中生物柴油具有可再生性、环保型和可替代现有石化柴油的 特点，引起了世界许多国家的高度重视，成为最受欢迎的石化柴油替代品。 它是生物质能研究的热门课题，代表当今可替代能源研究的前沿与方向。 生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯( f a m e ) ，是以可再生资源如：菜籽油 ，大豆油、玉米油、棉籽油、花生油，葵花籽油、棕榈油、椰子油、回收 烹饪油以及微生物油等为原料制成。但是目前以植物油为原料生产生物柴油成 本过高，约占总生产成本的7 0 8 5 ，且油料植物占耕地面积大，尤其不利于 人均耕地面积少的中国来大规模种植油料作物；而以废弃食用油和动物脂肪为原 料则存在原料收集困难的问题。这些都在一定程度上阻碍了生物柴油的工业化生 产和应用。 微藻生物柴油能够解决目前使用植物原料发展生物柴油面临的耕地不足、 气候变化对产量影响大和引起农作物价格上涨等突出问题。微藻生长速度快， 培养液廉价( 海水) ，含油量高( 基因改造工程藻：8 0 ) 【l 】，培养所需耕地面 积少。微藻还是潜力很大的生物能源，能提供各种不同的生物燃料：包括通过厌 氧消化作用制得的沼气；从微藻油制取生物柴油；通过光生物学产氢等。 目前全世界已经有多家公司和政府开始进行微藻生物柴油技术的研究。国际 能源公司，s h e l l 以及c h e v r o n 等公司都开始研究以徼藻为原料生产生物柴油的新 技术。荷兰a l g a e l i n k 公司2 0 0 7 年1 0 月宣布开发出了新型微藻光生物反应器系 统，向全球销售其反应器，并提供相关技术支持。其它如s o l a z y m e 、v a l c e n t 、 v e r t i g r o 、c e h m m 等多家公司都在积极开展相关技术开发。 微藻的大量培养主要有开放池和密闭反应器两类培养方式。开放池培养 成本相对较低，但藻类生长所达到的细胞密度较低，某些情况下易于被当地 浙江大学硕士学位论文绪论 其它微藻侵染，而且水蒸发量大。密闭培养可达到较高的藻细胞浓度，不易 被杂藻侵染，水蒸发量小，但反应器造价和运转成本较高。近年来国内外的 研究者开始研究各种光催化微藻培养器，其操作性都是可行的。但是在培养过程 中仍存在很多问题和不足。例如跑道式培养池因为光透射率低和间歇式的操作导 致微藻生长速度慢以及收率低；又如管式培养器由于无法充分混合培养液，引起 光源吸收率低的问题等等。单纯尝试性地进行大规模培养，很大程度上影响了藻 类的快速生长和得率，也间接增加了微藻生物柴油的生产成本。 在这种情况下，开发出造价和运转成本较低，且光利用率高、培养效率好的 新型培养器和培养方式成为了微藻生物柴油研究的关键技术。 振荡流反应器( o f r ) 因其强化的传递性能在化工工业生产领域应用广泛。 其特点是在连续操作状态下具有优良的停留时间分布特性和高效的混合特性。 o f r 的径向全混流、轴向平推流的流体特性同样也能很好的解决大规模微藻培 养器的混合不均，光利用率低的问题。而且在工业放大时，只需将管子串联起来 即可，该操作相对简易，设备成本较低，又能实现连续化生产。 因此，本研究创新性地提出将o f r 改造成光催化管式振荡流反应器，用于 微藻的培养，以期解决以往反应器光利用率低的问题，提高微藻培养效率。另外 在间歇釜中考察了对生长影响较大的因素如c 0 2 、光源强度、光源性质、培养 温度等对生长的影响，系统研究了微藻的生长动力学，试图探索出较佳的微藻培 养工艺。 2 浙江大学硕士学位论文文献综述 2 文献综述 2 1 生物柴油生产原料比较 由于石油资源越来越少，全球的能源问题日渐凸显，这促使人类对生物质能 源加紧开发研究。生物质能源是指绿色植物、藻类、细菌等通过光合作用，捕获 太阳能，经新陈代谢，储存于生物物质中的化学量被人工方法重新提取、聚集、 加工后获得的新能源。在众多原料中，能源类植物被认为是最有前景的生物质原 料之一。所谓的能源植物几乎包括所有植物，大体上分为以下几种类型：1 含大 量糖类，淀粉的植物；生长周期短，生长速度快的木本和草本植物，这些植物油 还可以转化为酒精而再利用；2 含油脂和石油类物质高的植物，这类植物油都可 以用酯化反应转化成生物柴油；3 能把c 0 2 转换成生物燃料和饲料，养料等高价 值生物活性物质的藻类。 能作为生物柴油原料的植物主要以经济性油作物为主，按照生物学特征可以 分为灌乔木、草，苔藓植物等。而现在作为生物柴油的原料的主要植物为大豆、 菜籽、棕榈、太阳花、蓖麻籽、小桐子等。这些植物油的主要有效成份都是三脂 肪酸甘油酯，用低碳醇与之进行酯交换反应，反应结果将长链的甘油脂肪酸酯转 化为短链的脂肪酸甲酯或乙酯，这些脂肪酸甲酯或乙酯是生物柴油的重要组成成 份。按照生物柴油的定义，各种植物油经过催化反应后得到的有机物，其碳链长 度要求在1 2 2 4 之间。一般的油料作物所含有的脂肪酸类型和其含量见表2 1 【2 】， 从表中各种脂肪酸的组成来看，这些植物都能够用作生物柴油生产的优良原料。 表2 1 常见油料作物所含脂肪酸组成和含量 浙江大学硕士学位论文文献综述 目前工业化生产生物柴油的原料主要是植物油和餐饮废弃油脂，但是用植物 油为原料成本过高，其成本占到总生产成本的7 0 8 5 。若以餐饮废弃油为原 料，也存在原料难以收集和运输困难等问题，这些都使得生物柴油的工业化生产 难以持续化进行1 3 1 。美国是以大豆油为主要原料来生产生物柴油，欧洲则是以 菜籽油为主，日本选择废弃食用油，巴西则以蓖麻油为主，而南非主要用葵花子 油为原料生产生物柴油【4 】。在我国，若使用大豆，棉籽，油菜籽等植物来生产生 物柴油是不合理和不现实的，因为大规模种植这些植物需要大量的耕地面积，而 我国的人均耕地面积是比较低的。对于我国而言，需要用一种成本比较低、经济 效益较高、最重要的是不占用耕地的生物柴油原料。 与其它植物油料作物相比，藻类作为生物柴油原料的优势有： 1 生长速度快( 生长期最快增速能达到3 5 h 增倍) 2 藻类培养不需要占用大量耕地面积，符合我国国情 3 含油量相对较高( 最高可超过8 0 ，平均含油量在3 0 5 0 干重) 5 1 当然，藻类作为生物柴油原料也存在不利的一些因素：与植物油相比，微藻 油含有4 个以上双键的游离不饱和脂肪酸，而含有四个以上双键的不脂肪酸和脂 肪酸甲酯在储存中容易氧化，因此如果不经过处理，将不利于生物柴油的储存、 生产和使用。但是微藻油的不饱和度以及4 个双键以上的脂肪酸含量问题可以通 过一些简单方法来处理。如：采用局部催化加氢作用等【2 1 。 4 浙江大学硕士学位论文文献综述 2 2 微藻的应用以及作为生物柴油原料的可行性分析 微藻是用太阳能为能量的细胞工厂，用来把c 0 2 转换成潜在生物燃料和养 料，饲料，高价值生物活性物质吲【5 】【6 1 。另外，这些进行光合作用的微藻还应用 于生物修复以及固定作为生物肥料的氮元素【7 】【8 】【9 1 。 微藻作为潜在的生物质能源原料，有非常大的应用价值，包括能提供通过厌 氧消化作用制得沼气；从海藻中制得生物柴油；通过光生物学产氢9 】【1 0 1 等各种不 同的生物燃料。使用微藻类作为燃料来源并不是新的想法，但是由于日益高涨的 石油价格以及石油消耗带来的环境污染、全球气候变暖等一系列环境问题，使得 这一想法正日益受到人们重视【1 1 】。 现在普遍使用植物和动物油制取生物柴油，而不是微藻类。但这种状况即将 发生改变，几大公司已经着手开始使用微藻油生产生物柴油。生物柴油早已被证 实可以作为燃料使用，生产生物柴油的技术已经发展了5 0 多年【1 2 】。在美国，主 要用大豆油生产生物柴油。其他来源包括：菜籽油、动物油、棕榈油、玉米油、 废弃餐饮油【1 3 1 和麻风树油【1 4 】。用藻类生产脂肪酸甲酯以及生物柴油的方法已被 证明是可行的，但现在这些产品主要用于制药【1 5 】。 以美国当前的能源消耗速度计算，若要用生物柴油代替全部运输燃料，则每 年需要0 5 3 1 0 9 1 1 1 3 的生物柴油。显然，油料作物、废弃餐饮油和动物脂肪油并不 能满足如此庞大的需求。例如：用生物柴油代替美国当前运输燃料需求的一半， 那么所需要的油料作物的种植面积将大到无法实现。如以每公顷各种油作物的平 均产油率为计，那么所需的种植面积将占据美国耕地面积的5 0 。假如可以种植 高产油量的油椰子，也需要占据总耕地面积的2 4 方能满足运输燃料的需求的 5 0 。可见，用油作物生产生物柴油无法代替石油。但如果用微藻生产生物柴油， 就能改变这一状况。若使用美国总种植面积的1 - 3 用于海藻的培养，所制得的 生物柴油就可以满足美国现阶段运输燃料需求5 0 。 要完全代替石化石油，用微藻生产生物柴油似乎是唯一的方法。与油作物不 同，微藻的生长速度很快，在2 4 小时内就能翻倍复制，且含油量很高。微藻在指 数生长时期生长最快时倍增时间只要3 5 小时。研究表明，干微藻的含油量可超 过8 0 ( 质量分率) 。一般的含油量占微藻干重的2 0 5 0 。所谓产油率，即每天每 单位体积微藻培养基的生产油数量，取决于微藻的生长速率以及单位体积藻类的 浙江大学硕士学位论文文献综述 含油率，因此用产油率高的微藻类生产生物柴油是可取之策。 徼藻油与植物油相比的缺点在于，微藻油含有4 个以上双键的游离不饱和脂 肪酸，例如：在微藻油中最常见的，二十碳五烯酸( e p a ，c 2 0 ：5 n 3 ；5 4 - 双键) ，二 十二碳六烯酸( d h a ，c 2 2 ：6 n - 3 ；6 个双键) 。含有四个以上双键的不饱和脂肪酸和 脂肪酸甲酯在储存中容易受氧化的影响，不利于生物柴油的生产和使用。一些植 物油同样存在这个问题，例如：蓖麻油含有大量的亚油酸( c 1 8 ：2 n 一6 ；2 个双键) 和亚麻酸( c 1 8 ：3 n 3 ；3 个双键) ，这些脂肪酸的氧化性比d h a 和e p a 更高。欧洲标 准e n1 4 2 1 4 规定机车用生物柴油中亚油酸的含量不能超过1 2 。各种用途的生物 柴油对于其不饱和度都有相应的要求和标准。总的不饱和度通过典值来判断，欧 洲标准e n1 4 2 1 4 和1 4 2 1 3 分别要求生物柴油的典值不能超过1 2 0 9 碘1 0 0 9 生物柴 油和1 3 0 9 碘1 0 0 9 生物柴油。此外，欧洲生物柴油对含有4 个以上双键的f a m e 含 量都有限制，最高不能超过1 ( m 0 1 ) 。 + 微藻油的不饱和度以及4 个双键以上的脂肪酸问题可以通过一些简单方法来 处理，如采用局部催化加氢作用【3 1 。从植物油中制取人造黄油也是采用这个处理 方法。 2 3 藻类光合作用反应机理 2 2 1 光合作用反应机理 绿色植物的光合作用可以用下面这个简单的反应式来表示： 叶绿素 c 0 2 + 2 h 2 0 ( c h 2 0 ) + h 2 0 + 0 2 光 我们一般将绿色植物的光合作用划分为三个相对独立的过程： ( 1 ) 原初光化学反应 吸收与传递光能，并在“反应中心”通过电荷分离的方式将光能转化为电 子势能，产生强氧化剂和强还原剂。其中强氧化剂将h z o 氧化放出0 2 ，强还 原剂参与到后面电子传递的氧化还原反应。 ( 2 ) 电子传递及偶联的磷酸化作用 将电子势能转换为活泼的化学能，储存于高能中间产物n a d p h ( 还原型辅 6 浙江大学硕士学位论文文献综述 酶i i ，即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) 和a t p ( 三磷酸腺苷) 中。整个电子传递过程 中，发生的总反应为： 光a t p a s e 2 h 2 0 + 2 n a d p + a d p + p i _ 0 2 + 2 n a d p h + 2 h + 州玎p ( 3 ) 碳素同化作用 c a l v i n 循环： 在电子传递及偶联的磷酸化作用后，产生了高能化合物a t p 和n a d p h ， 但还必须经过暗反应阶段才能将活跃的化学能转换为稳定的化学能，储存在有机 物中。而碳素同化的最终目的，就是将大气中的c 0 2 还原为碳水化合物。 1 9 4 6 1 9 5 3 年，c a l v i n 和b e n s o n 以小球藻为原料，利用1 4 c 标记物系统地 阐明了光合作用碳同化的途径。整个c 0 2 同化过程可划分为3 个阶段：羧化、 还原和再生。由于该反应是循环往复的，所以被称为c a l v i n 循环。 总反应式可表示为： 6 c 0 2 + 1 8 a t p + 1 2 n a d p h + 1 2 h 2 0 c 6 h 1 2 0 6 + 1 8 a d p + 1 8 p i + 1 2 n a d p + + 6 h + 2 2 2 光抑制作用 光抑制：光能超过光合系统所能利用的数量时，光合功能下降的现象。 光抑制主要发生在p s l1 【1 6 1 。一些学者认为，光抑制不一定是光合机构被破 坏的结果，它仅仅是一些防御性的激发能热耗散过程加强的反应。在自然 条件下，晴天中午植物上层叶片常常发生光抑制，当强光和其他环境胁迫 因素，如低温，高温和干旱等恶劣环境下，使得光抑制加剧。即使在中、 低光强下也会发生光抑制现象。植物本身对光抑制有一定的保护性反应。 植物的光能利用效率随着光强的增加而越来越低，虽然植物的光合作用强度 在强光下可以达到最大，但植物吸收的光能将会超过其能够利用的量，而那些未 得到利用的光能会引起光抑制【1 6 】。如果植物在很长的时间里处于强光的环境下， 植物的光合作用将被明显抑制1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 】，量子的利用率也会很低。不能利用的 光能还会诱发产生单线态氧( 1 02 ) ，这些单线态氧会引起光合色素的降解和光 合机构的破坏2 1 1 ，即光氧化或光漂白 2 2 】。当然，大多数情况下当光环境减弱时， 植物的光合作用可以逐步恢复，一般情况下不会损失大量的色素，因此光抑制大 多是可逆的。而光氧化对光系统结构和功能的损伤则需较长时间的修复过程，严 浙江大学硕士学位论文文献综述 重时甚至难以被修复，因此光氧化大多为不可逆破坏。 具体来说，光抑制就是当光合机构吸收的光能大于光合作用所能利用量时， 过剩光能可能引起光合效率和光合功能降低。光氧化：当光合机构较长时间暴露 在强光下，活性氧会破坏光合作用反应中心( d 1 d 2 c y t b 5 5 9 多肽分子复合物) 的叶绿素和氨基酸，最终导致d 1 蛋白和d 2 蛋白的降解，分解光合色素，降低 光合功能。 修复作用：在黑暗时期，藻类能利用剩余的光能，使细胞的光合作用器官从 先前光照时的抑制状态恢复过来。如有修复作用的光呼吸：人们认为光呼吸是无 能耗过程，而且研究者试图通过抑制光呼吸作用来提高光合作用效率，都失败了。 郭连旺等证明并提出光呼吸在耗能过程中具有一定的光保护作用。这种保护作用 大致通过四个方法o 光呼吸作用产生的1 分子c o2 比光合作用固定的1 分子 c o2 要多用两倍的化学能量【2 2 1 ，当光合作用利用不了吸收的化学能量时，光 呼吸的耗能运转可以减少过剩的光能；光呼吸加速了磷元素的循环和利用，减 轻了光合作用的无机磷限制2 3 】 2 4 1 ；光呼吸所产生的c o2 和磷酸甘油酸可以 重新进入卡尔文循环，因此通过这个方式可以保证一定的光合速率；光呼吸降 低了m e h l e r 反应速率，降低了o 2 等活性氧的浓度，减轻潜在危害。 光抑制是植物对强光威胁的一种自我保护伫5 1 ，光抑制的本质是当光能过强 不能利用时，植物体内的光合机构通过增加耗能过程甚至自我破坏光合作用中心 来降低光能吸收利用率。所以，光抑制是植物体通过各种方式( 包括加速耗散过 剩光能来减少在植物体中不能利用的光能) ，避免其对光合机构的破坏。修复机 制的有效运转则是植物适应强光环境或减轻强光破坏的最后一种方法。虽然植物 体的光抑制作用使得光合作用率降低，而且导致生物体积累量减少，但大多数的 绿色物种保留了这种特性。植物采用这种方式防止光合反应中心过度破坏和光合 作用力的过度损失，有利于植物适应多变的生存环境，保留其自身的多样性。 2 4 微藻生物体的培养条件与培养方式 2 4 1 微藻生物体的培养条件 微藻生物体光合作用需要：光，c 0 2 ，水，无机盐，温度保持在2 0 ( 2 3 0 。c 。 为降低成本，培养微藻必须依赖于充足的阳光。培养基的必需成分包括：氮，磷， 金属以及硅。 浙江大学硕士学位论文 文献综述 微藻的分子化学式可以近似写为c o o 4 8 h 1 8 3 n o 1 l p o - 0 1 1 2 6 。营养成分磷必须充 足，因为磷能附带一些金属离子。而含有充足硝酸钾和磷酸钾成分的海水最常用 于培养微藻：海水不仅可以提供足够的氮、磷，还能提供海藻生长所需的其它营 养元素【2 7 1 。因此，用于海藻生长的培养液是廉价的。 微藻干重的5 0 是c 0 2 【2 8 1 ，要培养1 0 0 吨的微藻需要固定1 8 3 吨c 0 2 。白天c 0 2 必须连续不断的供应，供应量的多少对应于p h 值的变化，可以通过p h 传感器的 信号进行判断。而所需原料可由一些能源企业燃烧石化燃料产生的c 0 2 提供。因 此，只要把工厂建在发电厂或石化燃料厂附近，c 0 2 的供应便是廉价而充足的【2 9 1 。 目前大规模微藻培养采用在白天连续的供给培养基。该法将新鲜的培养基以 一定的速率持续的流入，同时以同样的速率持续产出微藻混合液。到晚上，停止 培养液的流入，但必须保持振荡的继续，以免生物体沉淀物的积累【3 0 1 。由于存 在呼吸作用，那么白天光合作用产生生物体的2 5 将会在晚上消耗掉，损失的程 度取决于生物体生长环境的光照程度、生长温度和晚间的温度。 2 4 2 微藻生物体的培养方式 现阶段比较可行的大规模培养微藻有两种方法：跑道式培养池【3 0 1 和管式光 催化反应器3 1 1 。在两个反应器中，以每生产1 0 0 吨的生物量作对比，并且提供相 同的c 0 2 量，大气中损失的量忽略不计。那么管式反应器的每公顷面积产油量远 大于跑道培养池，这是因为管式反应器的体积产率远大于跑道式培养池。在管式 反应器中获得的藻类浓度是在跑道式培养池中的3 0 倍左右。所以，要获得同样数 量的藻类，用管式反应器将比跑道式培养池占用的空间小很多。 不论在管道式还是跑道式池塘培养微藻，都不影响从微藻中提取以及转化为 生物柴油的费用。因此，可以把培养藻类生长的费用大小作为选择采用管式或跑 道池式反应器的唯一标准。 跑道式培养池： 跑道式池塘是由一个闭环循环通道构成，通常深约0 3 米，由叶轮提供混合 和循环作用( 图2 1 ) 。在流道中放置隔板引导各处流体的流动。跑道池的渠道 是由混凝土浇灌而成，或者也可以用土压实，并尽可能铺上白色塑料以作内衬。 在白天，培养液连续不断的从泵口流出。而泵后则是微藻的收集处，循环以往成 9 浙江大学硕士学位论文 文献综述 对流的形式。其中，泵的叶轮必须时刻不断运转以防止藻类的淤积。 自从2 0 世纪5 0 年代起，跑道池就应用于微藻的培养，并在操作和跑道工程上 积累了丰富的经验。最大的以跑道池为基础的生物质生产设施占地四十四万平方 米。这个生产设备属于未来营养品集团( w w w e a r t h r i s e c o m ) ，用来生产作为食 品原料的蓝藻生物。 跑道池反应器中的冷却只能依靠自身的蒸发，昼夜周期和季节性更替都会导 致温度变化。因蒸发失水量可能会很大，再加上水分不断蒸发到空气中，因此在 跑道池中二氧化碳应用的效率大大低于管式光催化反应器。此外微藻的生产率受 到有害藻类的微生物以及用作藻类饲料的微生物的双重影响。在跑道池中培养的 生物量浓度很低，而且由于池中混合效果很差，因此难以维持一个光暗循环区。 h a r v e s tf e e dp a d i 舞e w h e d 图2 1 跑道式培养池 研究者普遍认为，跑道池反应装置比管式光化学反应器要便宜很多，因为它 们的建造和运营成本更低。但是虽然跑道池成本较低，但与管式光催化反应器相 比，它的生物量生产力远不如后者。 管式光催化反应器： 与跑道式培养池开放性的培养不同，管式培养器用于连续式培养单一品种的 海藻。这种反应器已经被成功的应用于大规模培养海藻生物体。 l o 浙江大学硕士学位论文文献综述 图2 2 平行管状光催化生物反应器 管式光催化反应器通常由玻璃或者塑料管制成，直径为o 1 m 以下，因为阳 光在浓密的培养液中穿透力有限，若直径太大，会影响到阳光的吸收效果，进而 影响到培养效果。微藻培养液从蓄水池到阳光收集器，再回到蓄水池中。阳光收 集器为水平放置的平行管道，在有限的面积上可以增加管道的数量，增大吸收光 面积，管道一般南北朝向放置。地面一般涂成白色，或者放上白色的塑料布以增 大光反射度。 除了水平放置在地面上的方式之外，这些管子还可以用弹性塑料制成，然后 缠绕在一个支撑框架上，从而形成一个螺旋形的光催化生物反应器，如图2 3 所 示，但这种管式反应器只能制备小体积的微藻培养液，它的作用是可以为大型的 光催化反应器接种。目前还存在其他的管式光催化反应器，但没有广泛地应用。 虽然研究表明人工照明的管状光催化生物反应器在技术上是可行的，但是比起自 然光照要昂贵很多。即便如此，人工照明也已经在大规模的生物产品生产中应用， 尤其是在生产一些高价值产品的设备上应用广泛。 通过使用机械泵( 图2 2 ) 或者功率较小的真空泵，可以使管内的流体保持 流动性，减少生物产物在管内的沉淀物。虽然机械泵很容易进行设计、安装和操 作，但是其运行过程中产生的剪应力会损害生物产物p l t 3 2 1 3 3 1 1 3 4 1 。真空泵已被成 功应用于管式光催化生物反应器，其设计和原先传统的真空泵设计方法相同 3 5 3 6 1 。真空泵比机械泵简单，但是在操作时需要供给一定量的空气。另外管式 生物反应器必须进行阶段性的清理和消毒，因为长期使用会有藻类残留物积累留 在管子中，影响透光率和藻类的培养，这个任务可以通过内部清理机而轻松完成 3 6 1 3 7 1 。 浙江太 顶士学位论文 i 献综述 由于光合作用会产生氧气，因此在较强的光照下，氧气的产率最高可达到 l o g n l _ 3 m i n 当可溶氧气的浓度高于空气饱和值水平，会抑制光合作用的进行 1 3 7 1 。此外，在强光下产生的高浓度可溶氧气会发生光氧化作用，破坏藻细胞。 为了阻止上述的抻制和损害，氧气的最大溶解量不能超过空气饱和值的4 倍。而 在光催化生物反应器中溶解的氧气是不能被移除的，若要及时移除氧气，则要缩 短营长，限制连续反应苷的最大长度，不利于藻类的大规模培养。因此培养液必 须定期返回排气区( 如图2 2 所示) ，通过通入空气可以顺带将积累的高浓度氧 气排除。通常的管式反应器设备中管长不应该超过8 0 r a ，但是具体操作中的长度 取决于产物浓度，光强度，流速和管进口的氧气浓度这几个因素。 为了移除累积的溶解氧气，排气区的作用是从反应液中脱除所有气泡，以便 于气泡基本上从反应液中脱离并排除氧气，降低管于中的溶解氧浓度。用于排除 气泡的气坡分离器已经有相关研究者做了研究口8 1 。与光收集嚣相比较，排气区 很深，能接收的光照不好，所啦它的体积相对于光采集器来说需要做的很小。 圈2 3 窦大利亚默多克大学1 0 0 0 l 垂直管武光催化生物反应器 另外还有其他形式的管式光催化反应器，例如图23 所示，它的管子不是放 在水平地面上，而是由塑料和弹性交撑框架围成的一个卷曲螺旋线圈管式光催化 反应器。此粪反应器适用于小规模的微藻培养，如果要大规模的培养生产微藻， 则需要用到如图2 2 所示的反应器。另外还有很多种不同的管式反应器存在，但 由于或多或少存在不足之处，都没有得到广泛的使用。实践也证明在此类的反应 器中使用人工照明技术是可行的，唯一不足是与免费的自然光照相比，显然代价 浙江大学硕士学位论文 文献综述 有所昂贵。尽管如此，人工照明已经用于大规模的微藻生物的生产，尤其是用于 生产高价值产品。 2 5 如何提高微藻生物柴油的经济效益 制备微藻生物柴油的费用可以通过三个方法来大幅度降低：使用生物质炼 制技术，用基因工程和代谢工程技术提高藻类含油量，生物量和改进管式光催化 反应器。 2 5 1 使用生物质炼制技术 和石油炼制技术一样，生物炼制技术可以用生物体的每一个成分生产出有应 用价值的产品。由于生物体的所有成分都能得到应用，使生产费用得到大幅降低。 在加拿大，美国和德国，结合生物炼制技术已经广泛应用于从大豆和玉米等农作 物中制备生